靶(ba)材(cai)主(zhu)要(yao)应(ying)用于(yu)电(dian)子及(ji)信(xin)息(xi)产(chan)业(ye)，如(ru)集成(cheng)电路(lu)、信(xin)息存储(chu)、液晶显示(shi)屏、太(tai)阳(yang)能(neng)电(dian)池、电子(zi)控制器件等领(ling)域。随着集(ji)成(cheng)电(dian)路、太阳(yang)能和平(ping)面(mian)显示器(qi)产业的(de)发展(zhan)，靶材的种(zhong)类和(he)市场规模日益扩大(da)，并(bing)已(yi)发展成(cheng)为一个(ge)专业(ye)化产(chan)业。目(mu)前(qian)，随着我国(guo)对钛(tai)靶材研(yan)发的投(tou)入(ru)，某些领(ling)域国(guo)产(chan)靶(ba)材已取(qu)得很(hen)大(da)进步并(bing)逐(zhu)渐取代进(jin)口(kou)靶(ba)材，打破了靶材(cai)主要(yao)由日本、美国和德国(guo)垄断的(de)局(ju)面。但(dan)是，在某(mou)些(xie)粉末冶金(jin)靶材(cai)领域(yu)内国(guo)产靶材(cai)还(hai)有差(cha)距。
目(mu)前(qian)，采用粉末冶金(jin)方法制(zhi)备的(de)靶材(cai)主要(yao)包括(kuo)：(1)难(nan)熔金属及(ji)合(he)金(jin)溅射靶材。此(ci)类金属(shu)由(you)于(yu)熔点高(gao)且不(bu)易机(ji)械(xie)变形，采用(yong)熔(rong)铸(zhu)法(fa)生产困(kun)难(nan)。(2)熔点差别大(da)的二(er)元或多元(yuan)合金(jin)溅射靶材(cai)。由(you)于熔点差(cha)别大(da)，无法得(de)到(dao)成分均(jun)匀的铸(zhu)锭(ding)，因此(ci)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)粉末冶(ye)金方(fang)法(fa)。(3)陶瓷(ci)类溅射靶材。
本(ben)文(wen)着重对粉末(mo)冶金钛靶(ba)材的制(zhi)备(bei)方(fang)法(fa)、控制及(ji)其(qi)应用领域进行探(tan)讨(tao)。
一(yi)、粉末(mo)冶(ye)金(jin)靶(ba)材的(de)制(zhi)备方(fang)法(fa)
常用(yong)的(de)粉末冶金工(gong)艺包括无压烧(shao)结、热(re)压(ya)(HP)、真(zhen)空(kong)热压(ya)和(he)热等静压(HIP)等。除此之(zhi)外(wai)，还有(you)放电等离子(zi)烧结法(fa)(SPS)、及(ji)爆(bao)炸法(fa)等。
1、烧结法(fa)
烧结方法的(de)优势(shi)在于(yu)可(ke)以制备(bei)大尺(chi)寸(cun)靶(ba)材(cai)，但通(tong)常(chang)致密(mi)度不(bu)高，为了提高(gao)密(mi)度(du)需要提(ti)高烧结(jie)的(de)时间，或者在(zai)烧(shao)结(jie)后再进行(xing)轧制。粉(fen)末(mo)烧(shao)结合(he)金成分(fen)均(jun)匀，但(dan)又存(cun)在(zai)杂质(zhi)含(han)量(liang)高(gao)等(deng)问题，要(yao)选择可(ke)以(yi)在(zai)烧(shao)结过(guo)程中可(ke)完(wan)全(quan)除去的(de)粘结剂。采用烧结(jie)法(fa)制(zhi)备(bei)的靶材有W、Mo等难熔(rong)金(jin)属， 氧化(hua)铟锡(xi)、氧(yang)化(hua)锌(xin)铝(lv)等(deng)陶瓷靶材(cai)，以及某(mou)些(xie)合金(jin)靶材(cai)。
烧结方(fang)法(fa)的制备流程(cheng)主(zhu)要(yao)为：(1)根(gen)据靶(ba)材成(cheng)分对原材料处(chu)理及配(pei)料(liao)。(2)制(zhi)粉(fen)。在有氩气(qi)保(bao)护的(de)真(zhen)空(kong)配料箱内将合金(jin)锭粗(cu)碎(sui)，然后(hou)球(qiu)磨。(3)成型。成型(xing)方(fang)法(fa)有注浆(jiang)成型和(he)冷(leng)等静压(ya)两种技术(shu)，注(zhu)浆(jiang)成型(xing)相比(bi)冷(leng)等静压(ya)具有均(jun)匀性好的特点，而冷(leng)等静(jing)压使(shi)后续致密化(hua)更加容(rong)易(yi)。(4)毛坯(pi)成(cheng)型(xing)后首先(xian)放(fang)人脱脂炉(lu)进行(xing)脱(tuo)脂(zhi)。(5)烧(shao)结。将靶坯(pi)置(zhi)于高温(wen)真空(kong)烧结(jie)炉内(nei)烧(shao)结(jie)，然后炉冷。(6)对于(yu)难熔(rong)金属，如(ru)W、Mo等由于(yu)烧结很(hen)难(nan)达(da)到(dao)完全(quan)致密，因此后(hou)续(xu)还需(xu)要进(jin)行(xing)热(re)轧(ya)来提高(gao)靶(ba)材(cai)密(mi)度。
2、热(re)压(ya)法(fa)
热(re)压法(fa)是制(zhi)备粉末(mo)冶(ye)金(jin)靶材(cai)常用的方法(fa)，该方法(fa)的(de)优(you)点在于(yu)工(gong)艺简(jian)单，致(zhi)密(mi)度(du)高(gao)。但(dan)是(shi)这种(zhong)方(fang)法也(ye)存在一定(ding)的(de)缺(que)点(dian)，由于通(tong)常只是单向(xiang)加压(ya)，靶材不能(neng)完全致(zhi)密，并且(qie)制(zhi)备的(de)靶(ba)材(cai)尺寸较小(xiao)和生(sheng)产效率(lv)低(di)。为了保(bao)证靶材具(ju)有(you)较高(gao)的纯度(du)，热压方(fang)法制备(bei)过(guo)程中(zhong)不(bu)需要添加(jia)任何(he)成型剂，直(zhi)接将(jiang)高(gao)纯金属粉末装(zhuang)入(ru)石墨模(mo)具。
热压方法的(de)制备(bei)流(liu)程通常为：(1)将(jiang)装(zhuang)入(ru)粉(fen)末(mo)的(de)模(mo)具置于真(zhen)空(kong)热(re)压炉(lu)。(2)升温(wen)过(guo)程(cheng)可分为(wei)两(liang)阶段：第(di)一阶段采用(yong)快(kuai)速升温，并(bing)在(zai)升(sheng)温(wen)开(kai)始施(shi)加初(chu)始压力，在(zai)第一阶段(duan)粉体尺(chi)寸基(ji)本(ben)保(bao)持不(bu)变，粉末(mo)吸附的气(qi)体和(he)水(shui)分(fen)逐渐挥(hui)发(fa)；第(di)二(er)阶段为(wei)慢(man)速升(sheng)温(wen)，慢速升温(wen)是(shi)为了(le)降低粉(fen)体(ti)内(nei)表(biao)层(ceng)和心部(bu)温(wen)度梯(ti)度，提高(gao)粉(fen)体(ti)内部温(wen)度的(de)均匀(yun)性(xing)，进而提高靶(ba)材内(nei)部(bu)微(wei)观结(jie)构的均匀性。保(bao)温一定(ding)时间(jian)，混(hun)合粉经(jing)热压烧结后(hou)的(de)成(cheng)型(xing)体即(ji)为合(he)金靶材(cai)。(3)烧(shao)结结(jie)束(shu)后(hou)样品(pin)随炉冷(leng)却降温(wen)。降(jiang)温过(guo)程(cheng)应控(kong)制(zhi)降温(wen)速度，过(guo)快的(de)降(jiang)温(wen)速度会(hui)导(dao)致(zhi)靶材(cai)内存在(zai)残(can)余应(ying)力(li)，甚(shen)至可能(neng)会引起靶材的碎裂(lie)，温度(du)降(jiang)低(di)到(dao)500℃ 以(yi)下后(hou)出(chu)炉(lu)。
与传(chuan)统热压法相(xiang)类似的(de)还有(you)放电等(deng)离(li)子烧(shao)结(jie)(SPS)的方法(fa)，该方法是通(tong)过脉(mai)；中直流(liu)加热同(tong)时加压使(shi)金属粉末快速(su)致密化，这(zhe)种(zhong)方法(fa)具有(you)快(kuai)速成型(xing)的(de)特(te)点，同(tong)时运(yun)行(xing)成(cheng)本低(di)，生产效率(lv)高，具有“近净(jing)尺(chi)寸”生(sheng)产的(de)优(you)点(dian)，但(dan)是(shi)设(she)备(bei)造(zao)价昂(ang)贵(gui)。
3、热(re)等(deng)静(jing)压(ya)法
热等静(jing)压(ya)法是(shi)制(zhi)备粉(fen)末冶(ye)金靶材最(zui)有(you)效(xiao)的(de)方法(fa)，这是(shi)由于热等静(jing)压(ya)可(ke)以对粉(fen)体均(jun)匀(yun)施压，使(shi)之(zhi)具(ju)有很高(gao)的(de)致密(mi)度，并且通(tong)常(chang)制(zhi)备(bei)温(wen)度(du)低，晶(jing)粒(li)细(xi)小。该方法制(zhi)备(bei)的(de)靶材(cai)还(hai)具有纯(chun)度高、尺寸(cun)大(da)，生产效(xiao)率(lv)高、成本(ben)低(di)等优(you)点。热(re)等(deng)静压(ya)法(fa)可生产多(duo)种靶材，主(zhu)要(yao)为难熔(rong)金属(shu)及合金(jin)、多(duo)元(yuan)合金(jin)，也(ye)包(bao)括(kuo)不容易失(shi)氧(yang)的陶(tao)瓷(ci)靶材。
热等(deng)静(jing)压(ya)通常(chang)的制备(bei)流(liu)程为：(1)首先将(jiang)粉(fen)末或预制(zhi)粉体(ti)装入包套(tao)，装粉(fen)过(guo)程中(zhong)可采(cai)用振(zhen)动(dong)方法(fa)提(ti)高粉(fen)末(mo)的(de)压(ya)实密度，在(zai)包套与粗坯间(jian)隔以(yi)保护(hu)膜(mo)，以阻止它们(men)在高温(wen)高(gao)压(ya)下(xia)发(fa)生反(fan)应。(2)高(gao)温下(xia)抽真(zhen)空(kong)，封(feng)装(zhuang)有粗坯的包(bao)套(tao)。(3)将(jiang)上(shang)述(shu)包套放人热等(deng)静压(ya)炉中进(jin)行热等静(jing)压(ya)处(chu)理。热等静压(ya)温(wen)度视材(cai)料(liao)而定，保温(wen)时(shi)间(jian)通常(chang)为O．5～6h，通(tong)常(chang)采用(yong)氩(ya)气(qi)加(jia)压。(4)热(re)等(deng)静压(ya)后(hou)用(yong)稀(xi)硝(xiao)酸(suan)酸(suan)洗(xi)去除(chu)碳(tan)钢容(rong)器(qi)，剥离(li)金(jin)属箔(bo)隔(ge)层，获得(de)靶(ba)材(cai)。(5)用线(xian)切(qie)割或水(shui)刀(dao)方(fang)法切割靶材(cai)，获得所(suo)需(xu)尺寸(cun)的产(chan)品。
二、粉(fen)末(mo)冶(ye)金靶(ba)材的(de)特(te)性(xing)
粉末(mo)冶金靶(ba)材(cai)的制(zhi)备，需(xu)根据材料的种类选择适(shi)当的粉(fen)末(mo)冶金(jin)的(de)制(zhi)备方法和工艺，并(bing)从产(chan)品(pin)的(de)纯度(du)、密度(du)、晶粒(li)度和(he)均匀(yun)性等多方(fang)面进行控制(zhi)。
1、纯(chun)度
靶材的(de)纯(chun)度对溅(jian)射薄(bao)膜(mo)的(de)性(xing)能(neng)和质量具(ju)有很大的影(ying)响(xiang)。通常，靶材(cai)的纯度越(yue)高(gao)，溅射薄膜(mo)的(de)性能(neng)越(yue)好。采(cai)用(yong)粉末冶(ye)金(jin)方(fang)法(fa)制(zhi)备(bei)靶(ba)材，粉末原(yuan)材(cai)料(liao)的纯度(du)至(zhi)关(guan)重(zhong)要。特别是(shi)氧(yang)含(han)量的(de)控(kong)制(zhi)，通常粉(fen)末越(yue)细氧(yang)含(han)量(liang)越(yue)难(nan)控制(zhi)，对于氧(yang)含(han)量要求较高(gao)的靶材，可(ke)以(yi)适当选择粒径(jing)大的(de)粉(fen)末(mo)。
2、密(mi)度
粉末(mo)冶金(jin)靶材(cai)的致密(mi)度对(dui)溅(jian)射薄膜(mo)的性能(neng)具有重(zhong)要的(de)影响(xiang)。通常(chang)粉末冶金(jin)法(fa)制备的(de)靶(ba)材，极(ji)有可能(neng)含(han)有一定(ding)数量的(de)气(qi)孔(kong)，它们(men)的存(cun)在(zai)会(hui)导致(zhi)溅射时产生(sheng)不正(zheng)常(chang)放(fang)电(dian)，而产(chan)生(sheng)杂(za)质粒子(zi)。高端(duan)靶材的(de)密(mi)度(du)通常要达到(dao)理论密(mi)度的99％ 以上。提高靶(ba)材的(de)密(mi)度可(ke)从(cong)多(duo)方面进(jin)行(xing)，如改(gai)善(shan)粉末(mo)的颗(ke)粒分布、选择合理的填粉工(gong)艺(yi)，以及选择恰当(dang)的(de)制(zhi)备方(fang)法与工艺参数等(deng)。
3、晶粒度
由于晶(jing)界(jie)通常(chang)成为(wei)优(you)先(xian)溅(jian)射的(de)位置，因(yin)此通(tong)常细小尺(chi)寸靶材(cai)的溅射速率(lv)要比粗(cu)晶(jing)粒的(de)快。粉(fen)末冶(ye)金(jin)靶(ba)材主要通过粉(fen)末(mo)粒径(jing)和工(gong)艺参数来(lai)控(kong)制(zhi)晶粒度。
4、均(jun)匀性(xing)
靶材(cai)晶粒(li)的均匀(yun)性(xing)非(fei)常(chang)重要(yao)，因(yin)为这(zhe)影响到沉(chen)积薄(bao)膜厚(hou)度分(fen)布(bu)的均匀性。粉末(mo)冶(ye)金制(zhi)备(bei)靶材的均匀(yun)性(xing)主要受(shou)到(dao)原材(cai)料的(de)影响(xiang)，要(yao)粉末(mo)颗粒(li)分(fen)布均(jun)匀(yun)，可以通(tong)过合(he)理(li)的混(hun)粉工(gong)艺(yi)进(jin)行(xing)改(gai)善。靶(ba)材(cai)的均匀性(xing)还体现在(zai)密(mi)度(du)的(de)均匀性(xing)，当(dang)密度(du)不均(jun)匀时也(ye)会(hui)影(ying)响(xiang)到(dao)溅射薄(bao)膜(mo)的(de)不均匀(yun)，甚至(zhi)会使(shi)靶材(cai)溅(jian)射(she)时(shi)由(you)于密度不均(jun)匀引(yin)起(qi)内应力最(zui)终导(dao)致碎裂(lie)。
三、粉(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)靶(ba)材的(de)应(ying)用
利(li)用(yong)粉(fen)末冶(ye)金(jin)制(zhi)备的靶材主(zhu)要应用(yong)到(dao)集(ji)成(cheng)电(dian)路、信息存(cun)储、液晶显(xian)示屏(ping)及(ji)太阳能(neng)电(dian)池(chi)等(deng)领(ling)域(yu)，下面对(dui)几(ji)个主(zhu)要(yao)领域进行(xing)简要阐(chan)述。
1、半导(dao)体集成(cheng)电(dian)路用靶(ba)材
半导体(ti)领(ling)域(yu)使(shi)用(yong)的(de)靶材主(zhu)要包(bao)括(kuo)电(dian)极布(bu)线膜(mo)用靶材、阻(zu)挡(dang)膜用靶材(cai)、粘(zhan)附(fu)膜(mo)用(yong)靶(ba)材、欧(ou)姆接(jie)触(chu)膜(mo)用(yong)靶材(cai)和(he)电(dian)阻膜(mo)用靶材(cai)。通(tong)常(chang)，阻挡(dang)膜用(yong)靶(ba)材(cai)主(zhu)要(yao)是W、MO等难(nan)熔(rong)金(jin)属(shu)和(he)难(nan)熔(rong)金(jin)属硅(gui)化(hua)物。
粘附膜用靶(ba)材(cai)主要(yao)有Tj、W 等。对(dui)于电(dian)阻(zu)膜(mo)用靶材(cai)，主要为(wei)以下几类：(1)Ni-Cr系合(he)金及改性的Ni-Cr系合金(jin)。(2)Cr_si系(xi)。(3)Cr—Sio2系(xi)，此(ci)外还有(you)MO—Si、W—Si等(deng)。Cr、W 和(he)MO的熔(rong)点(dian)高，已(yi)超过(guo)一般真(zhen)空(kong)感应(ying)炉设备(bei)的(de)极限(xian)温度。Si是一种(zhong)非(fei)金(jin)属半(ban)导(dao)体(ti)元(yuan)素，熔(rong)点(dian)低(di)(1400℃ 左(zuo)右)，真(zhen)空(kong)感应炉(lu)不(bu)能感(gan)应(ying)，且一(yi)般含量(liang)较高，对于(yu)用(yong)真(zhen)空熔(rong)炼(lian)方(fang)法(fa)来(lai)进(jin)行制(zhi)备靶(ba)材，有极(ji)大的(de)难(nan)度(du)。因(yin)此(ci)，要(yao)制备(bei)这(zhe)种难(nan)熔(rong)金(jin)属及合金，最(zui)通(tong)常的方(fang)法就(jiu)是(shi)用(yong)粉末(mo)冶炼(lian)方法(fa)。
2、记录(lu)介质用溅射靶材(cai)
在磁(ci)记录(lu)、光记录中使用(yong)的金(jin)属、合金靶(ba)材主(zhu)要用(yong)真空(kong)熔(rong)炼(lian)法(fa)制(zhi)造，此(ci)外(wai)，有的三(san)元(yuan)或四元合金靶(ba)，其(qi)合(he)金(jin)化(hua)难度(du)较(jiao)大，需(xu)多次熔炼(lian)或(huo)用粉(fen)末成形(xing)法制造，有的(de)靶(ba)材(cai)是(shi)以(yi)熔(rong)炼(lian)法和(he)粉末成形(xing)法相(xiang)结(jie)合(he)经多道工(gong)序(xu)加(jia)工(gong)出来(lai)的。光磁盘领(ling)域(yu)使用(yong)的(de)过(guo)渡族(zu)金(jin)属(TM)一(yi)稀土金属(shu)(RE)合(he)金(jin)靶材制造(zao)难(nan)度较(jiao)大(da)，因(yin)为这种合(he)金(jin)粉(fen)末(mo)容易氧化(hua)而(er)变脆。对(dui)于多元铁电(dian)存储(chu)材料(liao)FeCoTaCr，用于中间(jian)层的(de)贵金(jin)属(shu)Ru靶，还(hai)有(you)相变存(cun)储(chu)材(cai)料(liao)，如(ru)PZT、LaSrCOO和(he)GeTeSb等陶(tao)瓷(ci)类溅(jian)射靶材(cai)通常(chang)也采(cai)用粉(fen)末冶金的方法(fa)制(zhi)备(bei)。
3、显示(shi)器溅(jian)射(she)靶(ba)材
显示器(qi)产业(ye)主(zhu)要(yao)分布在日(ri)本(ben)、韩国(guo)和(he)中(zhong)国(guo)台湾地(di)区(qu)，近(jin)几年(nian)国内(nei)的北(bei)京、合肥(fei)、深(shen)圳(zhen)、南(nan)京等(deng)多(duo)地(di)都(dou)在投(tou)资建设(she)平板(ban)显(xian)示器(FPD)高(gao)代(dai)生产(chan)线，其产能(neng)爆炸式(shi)增长(zhang)，使(shi)得(de)相(xiang)关(guan)溅(jian)射靶材市场(chang)需(xu)求的(de)强(qiang)劲增(zeng)长(zhang)。除(chu)了(le)TFT—LCD应(ying)用了氧(yang)化铟(yin)锡导(dao)电(dian)薄(bao)膜(mo)外(wai)，诸(zhu)如TN—LCD、STN—LCD、PDP等各(ge)种(zhong)FPD中(zhong)均(jun)采(cai)用(yong)了氧化铟锡透(tou)明导(dao)电(dian)薄(bao)膜作(zuo)为(wei)共(gong)用电(dian)极和(he)像素(su)电极来(lai)进(jin)行驱动(dong)。实际(ji)上，可(ke)以(yi)用作(zuo)导(dao)电(dian)薄膜(mo)的氧化物除(chu)了氧(yang)化(hua)铟(yin)锡外，还(hai)有(you)锡锑(ti)氧化(hua)物(wu)、镉锡氧化(hua)物、氧化(hua)镉、氧(yang)化(hua)锌铝(lv)等。而对于这些氧(yang)化物陶(tao)瓷靶(ba)材只能利(li)用(yong)粉(fen)末冶(ye)金的方法制备。除(chu)了氧化物陶瓷靶材(cai)外，LCD和PDP显示(shi)器还采用难熔(rong)金属如(ru)Mo、Cr作为电(dian)极和(he)BM层(ceng)，这(zhe)些(xie)难(nan)熔金(jin)属靶(ba)材都(dou)需(xu)要采用(yong)粉末(mo)冶金(jin)方法(fa)制备(bei)。对于(yu)显(xian)示(shi)器(qi)用靶材(cai)制备的难点(dian)在(zai)于(yu)靶(ba)材(cai)尺(chi)寸(cun)大，传(chuan)统(tong)的(de)热(re)压方(fang)法无(wu)法(fa)制备，需要采用烧结(jie)或热等静(jing)压法(fa)制备。
4、太阳(yang)能(neng)电(dian)池溅(jian)射(she)靶材
薄(bao)膜(mo)电(dian)池(chi)是(shi)将一层(ceng)薄(bao)膜制备(bei)成(cheng)太阳(yang)能(neng)电(dian)池(chi)，由于(yu)光(guang)电(dian)转(zhuan)换(huan)效率低(di)、衰(shuai)减率(光致衰(shuai)退(tui)率(lv))较高(gao)等问(wen)题(ti)，前些(xie)年未引(yin)起(qi)业(ye)界的(de)足(zu)够关(guan)注，市(shi)场(chang)占(zhan)有率(lv)很低(di)。近(jin)年(nian)来(lai)，随着其技术(shu)的不(bu)断(duan)进(jin)步，薄(bao)膜(mo)太(tai)阳(yang)能电(dian)池(chi)产(chan)业(ye)发(fa)展(zhan)较(jiao)快，并(bing)随着(zhe)太(tai)阳能这(zhe)种(zhong)清(qing)洁(jie)能源(yuan)的大(da)量使用(yong)，都将加大(da)相关靶(ba)材的(de)需求。薄膜太(tai)阳(yang)能(neng)电(dian)池(chi)透明电极(ji)的(de)无机非金(jin)属氧(yang)化(hua)物(wu)类(lei)靶材，有氧化(hua)铟(yin)锡靶(ba)材、铜铟镓硒(xi)靶材、碲(di)化(hua)镉靶材、硫化镉靶(ba)材(cai)、氧(yang)化锌(xin)锡(xi)靶(ba)材(cai)、氧化(hua)锌(xin)铝(lv)等(deng)靶(ba)材。这(zhe)些陶瓷(ci)主(zhu)要采(cai)用粉末冶(ye)金的方(fang)法制备。
(作者(zhe)单位(wei)：北京(jing)有色(se)金(jin)属(shu)研究(jiu)总(zong)院(yuan)有研亿(yi)金(jin)新材料(liao)股(gu)份(fen)有限公司)
相(xiang)关(guan)链(lian)接(jie)
